直噴天然氣發動機研究現狀綜述

宋廣舒 劉世通 蘇東超 李旭

摘要：隨著對發動機技術研究的不斷深入，受制于石油資源和排放法規的影響，傳統燃料發動機已逐漸被淘汰，新型燃料發動機發展前景良好。而直噴天然氣發動機具有較好的動力性和排放性，并能大大減少對傳統燃油的使用，已經成為了當下新型發動機技術的研究熱點。本文主要介紹了直噴天然氣發動機的國內外研究現狀，展望了該發動機的發展趨勢，為其后續的優化設計提供參考，以期促進今后該技術的發展。

Abstract： With the deepening of the research on engine technology， the traditional fuel engine has been gradually phased out due to the influence of petroleum resources and emission regulations， and the new fuel engine has a good development prospect. The direct injection natural gas engine has better power performance and emission performance， and can greatly reduce the use of traditional fuel， which has become the current new engine technology research hotspot. This paper mainly introduces the research status of direct injection natural gas engines at home and abroad， looks forward to the development trend of the engine， to provide a reference for its subsequent optimization design， to promote the future development of the technology.

關鍵詞：直噴天然氣發動機;研究現狀;發展趨勢

Key words： direct injection natural gas engine;research status;development trend

中圖分類號：TK411.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0045-02

0? 引言

目前，汽車的排放法規日趨嚴格，傳統燃油也十分緊缺。天然氣因排氣污染小、單位熱值高、安全可靠、經濟實惠、資源豐富等優點，完全可以成為汽車的替代燃料，已成為全球車用清潔燃料的發展趨勢，越來越多地應用在發動機上。天然氣發動機以天然氣為主要燃料（有壓縮天然氣CNG和液化天然氣LNG），應用領域較為廣泛，如城市公交、重型卡車、船舶、陸用和船用發電機組等。本文主要對直噴天然氣發動機作了介紹，分析了直噴天然氣發動機技術的研究現狀，指出了直噴天然氣發動機的發展趨勢，對指導今后直噴天然氣發動機的研發具有現實意義。

1? 天然氣發動機的分類

針對各個行業的不同需求，全球眾多發動機企業和研究所紛紛開發出不同種類的天然氣發動機，可按照燃料類型、燃料供給方式、空燃比和點火方式等的不同對其進行分類。按照燃料供給方式的不同，天然氣發動機可分為缸外供氣天然氣發動機和缸內直接噴射天然氣發動機。對于缸內供氣天然氣發動機，按照噴射壓力和噴射時刻的不同，可分為缸內高壓直噴天然氣發動機和缸內低壓直噴天然氣發動機[1]。

①缸內高壓直噴天然氣發動機：高壓直噴的技術最早由加拿大英屬哥倫比亞大學提出[2]，此類發動機的輸出功率不受爆震的限制[3]，與同等動力性下的柴油機相比，其經濟性和排放性有所提升。發動機應用了同心雙軸針噴射器，在壓縮沖程后期，先噴入微量柴油（一般占總燃料的5-10%）在氣缸內形成火核，接著噴入高壓天然氣（噴射壓力一般為12-30MPa），天然氣被火核引燃，觸發燃燒。該技術僅使用微量柴油引燃，比原柴油機碳煙、NOX和溫室氣體的排放都要低[4]。

②缸內低壓直噴天然氣發動機：在發動機處于掃氣行程時，氣缸內壓力較低，則天然氣的噴射壓力也較低（一般小于16bar）。當發動機活塞越過掃氣口時，天然氣開始噴射，逐漸與空氣形成均勻混合氣，最終被微量柴油引燃。此類發動機的優勢是系統成本低，工作可靠;可實現稀薄燃燒，減少NOX的排放，增大燃燒效率。但因內部易出現天然氣逃逸的現象，會加劇HC的排放。

2? 直噴天然氣發動機國內外研究現狀

2.1 缸內高壓直噴天然氣發動機的研究

為進一步提高缸內高壓直噴天然氣發動機（HPDI）的熱效率，降低其排放，國內外學者通過軟件模擬和試驗的方法研究了它的燃燒特性、燃燒模型和排放特性等，從而提升發動機的性能。

McTaggart-Cowan[5]通過試驗分析了燃料噴射壓力和噴射速率對HPDI發動機燃燒和排放特性的影響，結果表明更高的噴射壓力，合理控制燃料噴射速率可促進燃燒，提升熱效率，減少顆粒物排放。Munshi[6]采用試驗研究了HPDI發動機在不同燃燒模式下的燃燒和排放狀況，結果表明高負荷下實現了高熱效率和低NOX排放，但顆粒物排放增加，低負荷下出現不完全燃燒產物。Patychuk[7]通過試驗分析了HPDI發動機的排放性能在多種負荷下受配氣相位的影響程度，結果表明負荷低于50%時的甲烷排放量將減少70%，75%負荷時的NOX排放減少19%，10%負荷時的排放良好，但排溫增加。Mabson[8]通過模擬分析了配對天然氣噴嘴對HPDI發動機排放的影響，結果表明配對噴嘴增加了顆粒物和CO的排放。Faghani[9]采用數值模擬研究了噴射策略對HPDI發動機排放的影響，結果表明微預混燃燒模式減少了碳煙排放，但增加了NOX排放。

陳長軍[10]采用STAR-CD軟件模擬了HPDI發動機缸內的噴射過程和燃燒過程，分析了噴氣定時與噴氣壓力對排放的影響，結果表明噴氣定時的延后改善了NOX排放，但加劇了CO、HC和顆粒物的排放;增大噴氣壓力可減少HC的排放，但增加了NO排放。李孟涵[11]通過試驗分析了燃料噴射間隔對HPDI發動機排放的影響，結果表明噴射間隔不變時的HC排放隨引燃柴油量的增加而降低，CO排放變化不大;噴射間隔的增加會加劇HC和NOX的排放，減小CO的排放。

2.2 缸內低壓直噴天然氣發動機的研究

對于缸內低壓直噴天然氣發動機，國內外學者主要研究了雙燃料模式下的反應機理、發動機內的火焰射流以及發動機的爆震狀況。

Maghbouli[12]將化學求解器與KIVA-3V軟件相結合，根據雙燃料的反應機理，搭建出了低壓直噴天然氣發動機的模型，分析了發動機的爆震燃燒過程，總結了當量比對燃燒的影響，結果表明采用EGR可減輕爆震程度。Hockett[13]假設柴油的模型為正庚烷，天然氣的模型為甲烷、乙烷和丙烷的混合物，仿真建立了雙燃料模型，模擬了低壓直噴天然氣發動機的燃燒過程，并對雙燃料反應機理進行了改進，證實了高壓層流火焰速度、柴油噴霧的點火延遲和放熱速率等參數。Singh[14]通過KIVA-3V仿真軟件搭建模型，研究了低壓噴射雙燃料發動機的燃燒和排放特性，分析了此模型用于模擬空氣和天然氣預混合燃燒的能力與局限性，結果表明天然氣代替柴油可降低NOX的排放。Rahimi[15]通過均質壓縮點火模型驗證了雙燃料反應機理的仿真與實驗結果，利用遺傳算法優化了雙燃料混合組分，提出了最佳的正庚烷-天然氣混合物化學動力學機理。Lounici[16]主要研究了雙燃料發動機的爆震特性，分析了該現象的周期性變化，提出了一種基于缸內壓力分析的爆震指標，用于爆震的評估。同時，還研究了爆震對熱釋放、缸壁溫度、發動機性能和排放的影響。研究發現，提高引燃柴油的噴射量有助于減緩發動機爆震程度。

葉映[17]通過仿真搭建出了一臺低壓直噴雙燃料發動機的三維CFD模型，根據不同的通孔結構，制定了多種預燃室系統方案，模擬分析了各個方案下的火焰射流及排放狀況，總結出一種最優的預燃室系統方案，研究表明火焰射流接觸壁面或射向活塞頂面將導致發動機性能下降，增加排放。同時，分析了不同的噴油策略和EGR對發動機燃燒和排放的影響，研究表明改善預燃室內的預噴射可減弱柴油分層度，降低NOX排放，但會降低主燃室的燃燒速率;在天然氣非稀薄燃燒的條件下，EGR有助于改善發動機排放。

3? 總結

本文綜述了近幾年直噴天然氣發動機的研究現狀，主要介紹了有關于缸內高壓直噴天然氣發動機燃燒特性、燃燒模型和排放特性及缸內低壓直噴天然氣發動機雙燃料的反應機理、預燃室火焰射流和爆震的研究，對后續直噴天然氣發動機的優化設計具有重要意義。基于目前學者們對直噴天然氣發動機的研究，可以得出以下幾種發展趨勢：①在數值模擬研究中，進一步細化分析發動機缸內的化學反應過程，優化其排放模型;②加深對此類發動機顆粒物排放狀況的研究，考慮燃料的化學結構對排放的影響，對生成顆粒物的尺寸分布作詳細分析;③增加對發動機循環變動的研究，分析出發動機爆震和失火的極限值，以防止爆震和失火現象的出現，改善缸內的燃燒狀況，優化排放。

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